Gehäuse im Außeneinsatz Draußen zu Hause

Bild 1: In rauen Umgebungsbedingungen eignen sich widerstandsfähige und wasser- dichte Gehäuse aus UV-stabilisiertem Polycarbonat.

Drei-Wetter-Haarspray, Hautcreme und Sonnenbrille schützen uns im Alltag vor unerwünschten Umwelt- und Witterungseinflüssen. Was für uns die Haut, ist für die Elektronik das Gehäuse. Welchen Umwelteinflüssen müssen Gehäuse im Außeneinsatz standhalten?

Es gibt Gehäuse und es gibt Schränke, und zwischen Systemtechnik und Gerätetechnik wird ebenfalls unterschieden. Während ein Gehäuse – sprich Elektronikgehäuse – die bestückte Leiterplatte aufnimmt und dadurch zum Gerät wird, dient der Schaltschrank vorrangig zur Aufnahme des Gerätes auf der darin befindlichen Hutschiene. Damit fungiert er auch als eine weitere Schutzhülle gegenüber Umwelteinflüssen. Es gibt aber auch sogenannten Outdoor-Gehäuse, die Leiterplatten beherbergen und direkt im Außenbereich ihren Dienst tun, beispielsweise bei Mobilfunkanlagen oder regenerativen Energien.

Noch einen Schritt weiter gehen einige andere Branchen. Dort gelten besondere Betriebsvorschriften, etwa in der chemischen Industrie hinsichtlich Explosionsschutz. Die Lebensmittelindustrie fordert eine besonders dichte Kapselung und Beständigkeit gegenüber Reinigungsmitteln sowie die Eignung zur Dampfstrahlreinigung. Derartige Anwendungsfelder stellen hohe Anforderungen an die Industrieelektronik im Außenbereich.

Diverse Umwelteinflüsse 
 
Die Kennzeichnung der Schutzarten für Fremdkörper und vor Wasser erfolgt üblicherweise nach IEC/EN 60529 über die Kennung IP (International Protection), gefolgt von zwei Kennziffern. Dabei gibt die erste Kennziffer Berührungs- und Fremdkörperschutz und die zweite den Schutz gegen Eindringen von Wasser an. In Nordamerika gelten spezifische Normen und Standards. Für Geräte mit einer Betriebsspannung von bis zu 1000 V ist der relevante Standard für den Berührschutz in der NEMA 250 dokumentiert. Diese berücksichtigt – anders als die EN 60529 – auch Einflüsse wie Korrosion, Rost, Vereisung, Öl und Kühlflüssigkeiten. Die Gehäuse der Baureihe ECS von Phoenix Contact erfüllen NEMA Klasse 6 und IP69. Damit schützen sie vor herunterfallendem Schmutz, vor Strahl- und Tauchwasser sowie vor Eisbildung.

Einerseits beaufschlagt Feuchtigkeit in Form von Regen, Hagel oder Schnee das Gehäuse. Im anderen Extremfall ist eine sehr trockene Umgebung dadurch gekennzeichnet, dass die Luft vermehrt feinste Staubpartikel und Umweltschadstoffe wie Salznebel oder Schwefelsäure transportiert, die sich am Gehäuse dauerhaft absetzen können. Dann ist das System durch Korrosion an metallischen Teilen gefährdet. Zudem lässt permanente Sonneneinstrahlung mit UV-Anteilen insbesondere Kunststoffe schneller altern. Speziell ausgerüstete hochtemperatur- und UV-beständige Isoliergehäuse, zum Beispiel aus Polycarbonat, widerstehen dieser Dauerbelastung typischerweise über Einsatzzeiträume von zwanzig Jahren (Bild 1).

Betrachtet man die Anforderungen an ein Gehäuse für den Einsatz in Fotovoltaik-Anlagen, darf der zulässige Bereich der Umgebungstemperatur gemäß IEC/EN 61215 nur innerhalb bestimmter Grenzen liegen. 365 Tage im Jahr der direkten Witterung ausgesetzt zu sein impliziert Umgebungstemperaturen von –40 °C bis +85 °C, und das im ständigen Wechsel von Tag zu Nacht. Hinzu kommt noch die Eigenerwärmung durch die Verlustleistung im Gehäuseinneren beim Betrieb der Elektronik. Dieses Wechselspiel beansprucht das Material und die Dichtung von Gehäuse und Anschlusstechnik permanent.

Mithilfe von integrierbaren Membranen lassen sich unterschiedliche Druckniveaus zwischen Gehäuseinnerem und Umgebung ausgleichen. Dies verhindert das Eindringen von Kondensationswasser aus der Atmosphäre sowie mechanische Verformungen durch permanente Druckschwankungen über die Zeit.

Auch Vibration, Schock oder gar Stöße sind gefürchtete Einflussfaktoren beim Betrieb von Geräten. Die Kenngrößen, die den Grad der Stoß- und der Schlagfestigkeit eines Gehäuses angeben, sind im IK-Code gemäß IEC 62262 und EN 50102 spezifiziert. Im Testverlauf erfolgt eine Schlagprüfung an jeder bei regulärer Nutzung freiliegenden Gehäusefläche. Diese Prüfung wird fünfmal wiederholt, wobei die gleiche Stelle und ihr unmittelbares Umfeld jeweils nicht mehr als dreimal damit beaufschlagt werden darf. Alle Schläge müssen je Prüfdurchgang gleichmäßig und symmetrisch auf dem Gehäuse verteilt sein. Ein Stoßfestigkeitsgrad von IK08, über den das ECS-Gehäuse verfügt, bedeutet, dass es an sensiblen Stellen fünf Joule Schlagenergie ohne Einbußen von Dichtigkeit und Berührschutz übersteht.

Installation und Wartung im Feld

Der Zeitaufwand, um ein Gerät zu installieren – insbesondere im Freien –, sowie die dazu notwendige Qualifikation des Installateurs tragen maßgeblich zu den Initialkosten bei. Zusätzliche Kosten entstehen, wenn ein Service-Mitarbeiter Diagnosen durchführen und das verkabelte Gerät vor Ort öffnen muss. Wasserdichte passive Lichtleiter oder aktive mehrfarbige Signalleuchten zeigen diesem den aktuellen Systemstatus an, ohne das Gerät öffnen zu müssen (Bild 2).

Eine gute Mastbefestigung etwa ist dadurch kennzeichnet, dass sie passgenau auf das Gerätegehäuse abgestimmt ist, sich schnell installieren lässt und das System dauerhaft mechanisch fixiert. In das ECS-Gehäuse integrierbare Federstahlelemente im Bereich der Leiterplattenführung verhindern, dass die Elektronik im Servicefall versehentlich aus dem Gehäuse herausrutscht (Bild 3).

Der Begriff Total Cost of Ownership (TCO) bezeichnet ein Abrechnungsverfahren, das alle anfallenden Kosten im Betrieb von Investitionsgütern abschätzt. Betrachtet werden dabei nicht nur die Anschaffungskosten, sondern sämtliche Aspekte der späteren Nutzung der betreffenden Komponenten über die gesamte Lebensdauer. Ziel dabei ist es, alle Kostentreiber inklusive der versteckten Kosten im Vorfeld einer Investitionsentscheidung zu identifizieren.

Bezogen auf den Betrieb von Industrieelektronik ist jeder Serviceeinsatz im Feld mit Kosten verbunden, die die reinen Gerätekosten um ein Vielfaches übersteigen können. Daher kommt der Qualität und Zuverlässigkeit von Gehäusen im Kontext feldmontierter Industrieelektronik – etwa von Fotovoltaikanlagen mit üblichen Gewährleistungsfristen von zwanzig Jahren – eine zentrale Bedeutung zu. Phoenix Contact bietet hierzu verschiedene Gehäusesysteme mit entsprechender Kontakttechnik zum Anschluss und Betrieb industrieller Gerätetechnik.